Биофизика курс лекций
 Скачать 1.18 Mb.
|
l l , где l – начальная длина, Δl – значение удлинения, Напряжение механическое – мера внутренних сил, возникающих при деформации материала. Для однородного стержня: σ = S F , где S – площадь сечения, F – сила, приложенная к стержню. Упругая деформация возникает и исчезает одновременно с нагрузкой и не сопровождается рассеянием энергии. Для упругой деформации справедлив закон Гука : σ у = εЕ, где Е – модуль Юнга, определяемый природой вещества. При растяжении различных материалов, в общем случае, Е = f(ε). При малых растяжениях считают Е = const. В случае вязкой среды напряжение σ в определяется скоростью дефор- мации: σ в = η dt d , где η – коэффициент вязкости среды. Для вязкоупругой деформации характерна явная зависимость деформа- ционного процесса от процесса нагружения во времени, причем при снятии нагрузки деформация с течением некоторого времени самопроизвольно стремится к нулю. Для исследования характеристик сокращающихся мышц используют два искусственных режима: 1. Изометрический режим , при котором длина мышцы постоянна, а ре- гистрируется развиваемая сила. 2. Изотонический режим , при котором мышца поднимает постоянный груз, а регистрируется изменение ее длины во времени. При изометрическом режиме с помощью фиксаторапредварительно устанавливают длину мышцы. После установки длины на электроды подает- ся электрический стимул и с помощью датчика регистрируется функция. Максимальная сила, которую может развивать мышца, зависит от ее начальной длины и области перекрытия актиновых и миозиновых нитей, в которой могут замыкаться мостики: при начальной длине саркомера 2,2 мкм в сокращении участвуют все мостики. Поэтому максимальная сила генерируется тогда, когда мышца предва- рительно растянута на установке так, чтобы длины ее саркомеров были близ- ки к 2,2 мкм. При изотоническом режиме к незакрепленному концу мышцы подве- шивают груз. После этого подается стимул и регистрируется изменение дли- ны мышцы во времени. 78 Чем больше груз, тем меньше укорочение мышцы и короче время удержания груза. При некоторой нагрузке мышца совсем перестает подни- мать груз; это значение и будет максимальной силой изометрического со- кращения для данной мышцы. Зависимость скорости укорочения от нагрузки является важнейшей при изучении работы мышцы, так как позволяет выявить закономерности мы- шечного сокращения и его энергетики. Она была подробно изучена при раз- ных режимах сокращения Хиллом. V(P) = a P P P b ) ( 0 Это выражение называется « уравнение Хилла » и является основным характеристическим уравнением механики мышечного сокращения. Р о – мак- симальное изометрическое напряжение, развиваемое мышцей, или макси- мальный груз, удерживаемый мышцей без ее удлинения; b – константа, имеющая размерность скорости, а – константа, имеющая размерность силы. Из уравнения следует, что максимальная скорость развивается при Р = 0: V max = P 0 a b При Р = Р о получаем V = 0, то есть укорочение не происходит. Работа, производимая мышцей при одиночном укорочении на величину Δl равна: А = PΔl. Эта зависимость, очевидно, нелинейная, так как V = f(P). Но на ранней фазе сокращения можно пренебречь этой нелинейностью и считать V = const. Тогда Δl = VΔt, а развиваемая мышцей мощность W = dt dA имеет вид: W = PV. В результате получаем зависимость мощности от развиваемой силы: W(P) = PV = P a P P P b ) ( 0 Мощность равна нулю при Р = Р 0 и Р = 0 и достигает максимального значения при оптимальной величине нагрузки Р опт : Pопт = ) ( 0 a P a – a. Эффективность работы мышцы при сокращении может быть определе- на как отношение совершенной работы к затраченной энергии: ξ м = E A Развитие наибольшей мощности и эффективности сокращения достига- ется при усилиях 0,3-0,4 от максимальной изометрической нагрузки для дан- ной мышцы. Практически эффективность может достигать значений 40-60 % для разных типов мышц. Самая высокая эффективность наблюдается у мышц черепахи, достигающая 75-80 %. Кинетические свойства мышцы Стационарное сокращение имеет характер пластического течения. В не- стационарных условиях проявляются упругие свойства мышцы. Так, в опы- тах по быстрому отпуску (quick release), в которых изометрически сокращен- ная мышца освобождается и испытывает быстрое изотоническое сокраще- 79 ние, наблюдаются медленно затухающие колебания. Частота этих колебаний порядка килогерц для мышц, длиною в несколько сантиметров. Возникновение колебаний в мышце может определяться нелинейно- стью нестационарных кинетических уравнений, не содержащих упругости в явном виде. Возможность колебаний обусловлена в этом случае кинетикой замыкания и размыкания мостиков. С другой стороны, сам мостик является вязкоупругой системой. Напряжение, генерируемое замкнутым мостиком, может изменяться шаг за шагом, в зависимости от угла, под которым «голов- ка» располагается относительно актина, а также от степени растяжения. Та- ким образом, причина колебаний при быстром отпуске состоит в упругой деформации самого мостика. Большой интерес для физики и биологии представляют летательные мышцы насекомых(ЛМН) и близкие к ним тимпанальные мышцы цикад. Эти мышцы способны к быстрым периодическим сокращениям с частотой поряд- ка 100 Гц. ЛМН структурно весьма сходны с поперечно-полосатыми мышца- ми позвоночных. Установлена применимость к ЛМН скользящей модели с мостиками актин-миозин. Быстрые колебания ЛМН требуют наличия непосредственно функцио- нирующего упругого элемента. Микроскопия показывает, что в отличие от мышц позвоночных в ЛМН имеется прямая вязкоупругая связь между мио- зиновыми нитями и Z-мембранами, осуществляемая специальным элемен- том. По-видимому, этот элемент способен испытывать упругие деформации. Установлено большое различие между колебаниями ЛМН и колеба- ниями потенциала, который на них подается. Так, у мухи частота потенциала, подаваемого на ЛМН, равна 3 Гц, а частота колебаний крыльев достигает 120 Гц. Следовательно, нет активации мышцы при каждом ее колебании. Коле- бания ЛМН имеют характер автоколебаний. Автоколебания возникают в не- линейных системах за счет сил, зависящих от состояния движения самой системы; размах автоколебаний не зависит от начальных условий. Автоколе- бания ЛМН возбуждаются при наличии обратной связи между деформацией и напряжением. Соотношение между ними изменяется в зависимости от со- стояния активности системы. По-видимому, в ЛМН имеется «элемент- преобразователь», реагирующий на механические события и контролирую- щий состояние сократительной системы. Этот элемент локализован в мио- фибриллах, что доказывается наличием автоколебаний и у препаратов ЛМН, отмытых глицерином. При одиночном сокращении мышцы позвоночного наблюдается харак- терная периодичность, «зубчатость» процесса. Это обнаружено оптическим методом. Для изучения молекулярной динамики мышцы оказывается очень важным метод скоростной рентгенографии, основанный на применении син- хротронного излучения. Вазиной с сотрудниками удалось провести рентгено- графическую «киносъемку» мышцы с разрешением до 0,003 с. Кинетические свойства мышцы изучены недостаточно. Общий подход к их пониманию должен основываться на теории нелинейных динамических систем. 80 Электромеханическое сопряжение в мышцах Электромеханическое сопряжение – это цикл последовательных про- цессов, начинающийся с возникновения потенциала действия (ПД) на сарко- лемме (клеточной мембране) и заканчивающийся сократительным ответом мышцы. В качестве примера рассмотрим процессы, обеспечивающие сокра- щение кардиомиоцита. Процесс сокращения кардиомиоцита : 1 – при подаче на клетку стимулирующего импульса открываются бы- стрые (время активации 2 мс) натриевые каналы, ионы Na + входят в клетку, вызывая деполяризацию мембраны; 2 – в результате деполяризации плазматической мембраны в ней и в Т- трубочках открываются потенциалзависимые медленные кальциевые каналы (время жизни 200 мс), и ионы Са 2+ поступают из внеклеточной среды, где их концентрация 2∙10 -3 моль/л, внутрь клетки (внутриклеточная концентрация Са 2+ 10 7 моль/л); 3 – кальций, поступающий в клетку, активирует мембрану саркоплаз- матического ретикулума (СР), являющегося внутриклеточным депо ионов Са 2+ (в СР их концентрация достигает 10 3 моль/л), и высвобождает кальций из пузырьков СР, в результате чего возникает так называемый "кальциевый залп". Ионы Са 2+ из СP поступают на актин-миозиновый комплекс миофиб- рилл, открывают активные центры актиновых цепей, вызывая замыкание мостиков и дальнейшее развитие силы и укорочения саркомера; 4 – по окончании процесса сокращения миофибрилл ионы Са 2+ с по- мощью кальциевых насосов, находящихся в мембране СР, активно закачива- ются внутрь саркоплазматического ретикулума; 5 – процесс электромеханического сопряжения заканчивается тем, что К + пассивно выходит из клетки, вызывая реполяризацию мембраны; 6 – ионы Са 2+ активно выводятся во внеклеточную среду с помощью кальциевых насосов сарколеммы. Таким образом, в кардиомиоците электромеханическое сопряжение идет в две ступени: вначале небольшой входящий поток кальция активирует мембраны СР, способствуя большему выбросу кальция из внутриклеточного депо, а затем в результате этого выброса происходит сокращение саркомера. Опыты показали, что: а) отсутствие потока кальция извне клетки прекращает сокращение саркомеров, б) в условиях постоянства количества кальция, высвобождаемого из СР, изменение амплитуды потока кальция приводит к хорошо коррелирую- щему изменению силы сокращения. Поток ионов Са 2+ внутрь клетки выполняет, таким образом, две функ- ции: формирует длительное (200 мс) плато потенциала действия кардиомио- цита и участвует в процессе электромеханического сопряжения. Следует отметить, что не во всех мышечных клетках организма про- цесс сопряжения происходит, как в кардиомиоците. Так, в скелетных мыш- цах теплокровных потенциал действия короткий (2-3 мс) и медленный поток 81 ионов кальция в них отсутствует. В этих клетках сильно развита Т-система поперечных трубочек, подходящих непосредственно к саркомерам близко к z-дискам. Изменения мембранного потенциала во время деполяризации через Т-систему передается в таких клетках непосредственно на мембрану СР, вы- зывая залповое высвобождение ионов Са 2+ и дальнейшую активацию сокра- щения. Общим для любых мышечных клеток является процесс освобождения ионов Са 2+ из внутриклеточных депо – саркоплазматического ретикулума и дальнейшая активация сокращения. Ход кальциевого выброса из СР экспе- риментально наблюдается с помощью люминесцирующего в присутствии ионов Са 2+ белка экворина, который был выделен из светящихся медуз. Задержка начала развития сокращения в скелетных мышцах составляет 20 мс, а в сердечной – несколько больше (до 100 мс). Механохимические системы Мышечное сокращение – лучше всего изученное механохимическое явление. К таким же явлениям относится множество биологических процес- сов: движения растений; движения клеток с помощью жгутиков и ресничек; вся совокупность движений в процессах митоза и мейоза; движения внутри не делящейся клетки; сократительные процессы в хвостах фаговых частиц; механохимические процессы в мембранах; движение рибосом относительно мРНК в полисомах; акустическая и механорецепция, Этот неполный перечень показывает, как велико значение механохи- мии для биологии. Жгутики и реснички – специальные сократительные системы бактерий и простейших, обеспечивающие их движение в жидкой среде. Реснички функционируют и в ряде органов многоклеточных. Так, гребневики регули- руют ориентацию своих тел согласованными движениями ресничек, реснички создают ток жидкости в жабрах двустворчатых моллюсков, в тра- хеях человека и т. д. Жгутики и реснички имеют сходное строение. Это вытянутые образо- вания, длина которых варьирует от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, а диаметр – от 0,1 до 0,5 мкм. Электронная микроскопия пока- зала, что жгутик построен из девяти периферических и двух центральных фибрилл. Структуры «9 + 2» характерны для многих биологических систем, имеющих фибриллярное строение. Диаметр центральных фибрилл жгутика около 24 нм, расстояние меж- ду их центрами 30 нм. Поперечные размеры каждого из девяти дублетов – периферических фибрилл – 37х25 нм 2 . Дублет состоит из двух субфибрилл А и В, от субфибриллы А отходят два отростка – «ручки» – длиной 15 и тол- щиной 5 нм. Фибриллы – полые цилиндры, стенки которых состоят из 10 протофибрилл с диаметром 3,5 нм. Белки жгутиков и ресничек пока недостаточно изучены. Установлена их АТФ-азная активность. Формы и частоты волнообразных движений, рас- пространяющихся вдоль жгутика от основания к концу, зависят от концен- 82 трации АТФ. Белки являются сократительными, но отличными от миозина или актина. Модельные теории работы жгутиков и ресничек рассматривают изме- нения конформационного состояния белковых сократительных единиц, когда до них доходит сократительная волна. В каждой единице происходит расще- пление АТФ. В жгутиках и ресничках реализуется скольжение субфибрилл, «ручки» функционируют подобно мостикам в актомиозине мышцы. Сократительные белки идентифицированы и в других системах. Из сперматозоидов выделен сократительный АТФ-азный белок спермазин. В хвостовых структурах бактериофагов, как и в движущихся листьях растений (в частности, мимозы), также содержатся АТФ-азные сократительные белки. При движении цитоплазмы в клетке водоросли Nitella сдвиговая сила генерируется на границе геля и золя. Наблюдается скольжение волокнистых структур относительно окружающего золя. В амебах обнаружены пучки тон- ких нитей, выделены актино- и миозиноподобные белки. При амебоидном движении в псевдоподиях происходит сборка и разборка микротрубочек. Каждая клетка Escherichia coli имеет четыре длинных жгутика. Их вращательные движения позволяют клетке перемещаться. В основании жгу- тика, расположенном на клеточной стенке и мембране, имеется «колесо» – кольцо из 16 молекул белков в мембране, противостоящее сходному кольцу в клеточной стенке. Вращение жгутика в результате вращения кольца, подоб- ного шарикоподшипнику, происходит за счет энергии, выделяющейся при переносе протонов внутрь клетки. Если один протон должен пройти через каждый белок для поворота жгутика на 360°, то для полного оборота требу- ется 256 протонов. Плазмодий миксомицетов выполняет активные колебательные движе- ния протоплазмы. Он содержит актин и миозин, весьма сходные с мышечны- ми. Миозин плазмодия, однако, не образует толстых нитей, но лишь малые олигомеры. Тем не менее, этот миозин взаимодействует с актином плазмо- дия. В плазмодии обнаружены тонкие пучки нитей, построенные из актина и миозина. Эти пучки появляются и исчезают, следуя за фазами колебаний. Ток протоплазмы регулируется ионами Са 2+ , по-видимому, с участием еще неиз- вестных регуляторных белков. Можно предположить о сходстве движения протоплазмы с мышечным, однако отсутствие толстых нитей означает отсут- ствие тождества. При митозе и мейозе происходит перемещение протоплазмы и хромо- сом. Митотический аппарат клетки состоит из видимых под микроскопом тяжей, соединяющих друг с другом центриоли и хромосомы с центриолями. Центриоли имеют структуру «9+2», подобную структуре жгутиков и ресни- чек. Показано, что жгутики сперматозоидов вырастают из центриолей и ки- нетохоров хромосом. Белок митотического аппарата сходен с актином. Добавление АТФ вы- зывает медленное удлинение митотического аппарата. Пока не ясна непо- средственная связь митотических движений с АТФ-азной активностью. 83 Есть основания думать, что цитоплазма с ее цитоскелетом обладает свойствами тиксотропии. Тиксотропия – фазовые переходы гель-золь, обра- тимые или необратимые, происходящие под действием механических сил. Пример тиксотропного тела – обычный кефир, переходящий из твердого со- стояния (гель) в жидкое (золь) при взбалтывании. Цитоплазма представляет собой вязкоупругий гель, укрепленный цито- скелетом, в свою очередь построенным из микротрубочек, промежуточных филаментов и микрофиламентов. Цитоскелет и его элементы – механохими- ческие системы, преобразующие химическую энергию в механическую рабо- ту. Цитоскелет состоит из фибриллярных белков, в частности, из тубулина. Цитоскелет обеспечивает поддержание формы клетки, одновременно образуя «мускулы», изменяющие эту форму. Функционирование этой «мускулату- ры», в ряде отношений сходное с функционированием обычных мышц, регу- лируется ионами Са 2+ . Это, в частности, демонстрируется опытами Камия, изучавшего слизевик Physarum. Плазмодий слизевика при определенных ус- ловиях колеблется. Установлено, что в этих условиях происходят синхрон- ные колебания концентрации Са 2+ Силы, формирующие зародыш при онтогенетическом развитии, гене- рируются цитоскелетом. Тем самым изучение механохимии цитоскелета имеет фундаментальное значение для понимания всех процессов индивиду- ального развития. Для исследования морфогенеза надо понять, как эти силы координируются во всей популяции клеток, с тем, чтобы обеспечить пра- вильную последовательность форм тканей. Есть все основания думать, что механорецепция, а также акустическая рецепция связаны с механохимическими процессами. Возможно, что механо- рецепция связана с механическим воздействием на ионные каналы в мембра- нах рецепторных клеток, с деформацией этих каналов. Ионные каналы мож- но трактовать как «векторные ферменты», преобразующие входящий ион (субстрат) в выходящий (продукт). В состав одиночного механорецептора (тельце Пачини) входит нервное окончание, окруженное капсулой, состоящей из периферической и централь- ной зон. Периферическая зона состоит примерно из 30 замкнутых упругих оболочек. Центральная зона (внутренняя колба) содержит 60 плотно уложен- ных цитоплазматических слоев, разделенных «щелью», ориентированной вдоль длинной оси эллиптического сечения нервного окончания. Тельца Пачини преобразуют механическое воздействие в нервные им- пульсы. В этом смысле их функция противоположна функции мышцы. Мак- симальная чувствительность регистрируется для частоты 100-220 Гц, опти- мальная частота следования потенциала действия совпадает с этим значени- ем. Реализуется своего рода «биомеханический резонанс». Собственный пе- риод возбуждения рецептора составляет 9,6 мс, что соответствует той же периодичности раздражений порядка Высказано предположение о том, что регулирование проницаемости плазматической мембраны нервного окончания связано с участием сократи- тельных белков. Установлено, что активный участок нервного окончания в 84 области «щели» играет доминирующую роль в возникновении возбуждения. Показано, что в этой области происходит расщепление АТФ. В связи с этим можно предположить, что мембрана содержит ориентированные молекулы белка, обладающие АТФ-азной активностью. Механический стимул вызыва- ет конформационные изменения в этих молекулах и, следовательно, измене- ния их АТФ-азной активности. Наиболее общее положение биологической механохимии состоит в ее обязательной связи с ферментативной активностью рабочих веществ – сокра- тительных и регуляторных белков. Ферментативная активность определяется конформационными свойствами белка, электрон-ион-конформационными взаимодействиями. Отсюда следует, что принудительное конформационное изменение, вызванное механическим воздействием на белок, должно менять его ферментативную активность. Это доказано прямыми опытами. При де- формации миозина в гидродинамическом поле динамооптиметра меняется его АТФ-азная активность. Ультразвук сильно влияет на активность фермен- тов. В принципе сходные процессы реализуются, вероятно, и при акустиче- ской рецепции. Сократительные белки, прежде всего актин, фигурируют и в ряде дру- гих клеток и тканей. Актин составляет около 20% всего белка в нейронах цыпленка. Актин или актиноподобный белок присутствует в эмбриональной линзе, легких, коже, сердце, поджелудочной железе, почках и в мозговой ткани цыпленка. Актино- и миозиноподобные белки выделены из тромбосте- нина, из комплекса сократительных белков в тромбоцитах человека. Эти факты подтверждают общее положение о необходимости механи- ческого движения в жизненных процессах и о сходстве механизмов этого движения в самых разнообразных биологических системах. 85 Лекция 11. БИОФИЗИКА РЕЦЕПЦИИ Клеточная гормональная рецепция Гормоны, нейромедиаторы и другие агонисты способны быстро и об- ратимо активировать такие процессы, как сократимость, секреция, энергети- ческий обмен, изменения мембранного потенциала. На базе фармакологиче- ских данных еще в начале XIX века установлено, что многие гормоны взаи- модействуют с определенными рецепторами на наружной стороне клеточной мембраны. Затем было обнаружено, что при стимуляции гликогенолиза глю- кагоном внутри клеток печени образуется термостабильное соединение, спо- собное активировать энергетический обмен клетки. Позже это соединение было идентифицировано как цАМФ. Впоследствии была выдвинута гипотеза, согласно которой гормоны осуществляют регуляцию внутриклеточных про- цессов путем активации синтеза так называемых вторичных мессенджеров, или посредников. Первым из описанных вторичных посредников был цАМФ, позже были обнаружены цГМФ и инозитол-1,4,5-трифосфат. Принципиально иной механизм, с помощью которого может переда- ваться и усиливаться сигнал от агонистов, заключается в рецепторозависи- мой активации ионных каналов плазматической мембраны клетки. Такого рода регуляция была описана только для электровозбудимых клеток (нейрон, мышечная клетка), но оказалось, что она имеет универсальный характер. Еще один способ передачи гормонального сигнала заключается в том, что рецеп- торы некоторых агонистов являются ферментами. При этом их регуляторный центр – участок связывания агониста – находится с наружной стороны клет- ки, а каталитический центр обращен в сторону цитоплазмы. По такому меха- низму действуют многие факторы роста, рецепторы которых являются про- теинкиназами, и предсердный натрийуретический пептид, рецептор которого – гуанилатциклаза. Существуют и другие пути передачи сигнала. Так, рецеп- торы стероидных гормонов и тироксина переносят гормон в клеточное ядро. Остановимся на основных типах гормональной коммуникации и кле- точных рецепторов. Типы гормональной коммуникации клеток: - эндокринная, когда гормоны разносятся по всему организму; - паракринная, когда гормоны переносятся на расстояние не более 1 мм; - синаптическая, когда гормоны переносятся на расстояние не более 5 нм. В настоящее время в клетках различают три основных типа мембран- ных рецепторов: - рецепторы факторов роста; - рецепторы сопряжения с G-белками; - каналообразующие рецепторы (АХР и др.). Представленные типы рецепторов различаются по основным классам: ацетилхолиновый, катехоламиновый, опиатный, GABA-рецептор, глицино- вый, глутаматный, серотониновый. Клеточные мембраны содержат специфические белки-рецепторы, ко- торые при активации выполняют ряд функций: 86 - узнавание лиганда; - инициация первой стадии клеточного ответа; - открывание ионного канала; - продуцирование вторичного мессенджера (цАМФ), который наряду с ферментом (протеинкиназой) регулирует ионный транспорт и клеточный ме- таболизм. Специфичность рецептора обеспечивается следующими свойствами: - насыщение молекулы рецептора при физиологических концентрациях лиганда; - локализация рецептора только в клетках, где проявляется его биоло- гическое действие; - селективность рецептора (лиганд специфичен к определенному уча- стку молекулы рецептора). Процесс рецепции гормонов разделяют на четыре стадии. 1. Диффузия гормона к рецептору. 2. Связывание гормона и рецептора: |